3D打印：决策者指南

白皮书3D 打印：决策者指南与三菱化学控股株式会社合作2020 年 1 月 内容World Economic Forum 91-93 route de la Capite CH-1223 Cologny/Geneva Switzerland电话：41 (0)22 869 1212传真：41 (0)22 786 2744电子邮件：contact@weforum.org www.weforum.org© 2020 世界经济论坛。版权所有。不得以任何形式或任何方式（包括影印和录制）或任何信息存储和检索系统复制或传播本出版物的任何部分。本白皮书已由世界经济论坛发布，作为对项目、洞察领域或互动的贡献。此处表达的发现、解释和结论是由世界经济论坛推动和认可的合作过程的结果，但其结果不一定代表世界经济论坛的观点，也不代表其全体成员、合作伙伴或其他利益相关者，包括审稿人的观点。 3D 打印：决策者指南3前言紫阳范数字贸易主管，世界经济论坛有限责任公司Larry Meixner 管理公司执行官，三菱化学控股公司新兴技术正在塑造我们的社会。数字化正在影响无数方面，从人们如何互动到他们如何搜索和购买产品。第四次工业革命包含一项新技术，它有可能对产品的制造和分销方式进行根本性改变：3D 打印 (3DP)。3DP 可能会通过破坏制造模式、创造前所未有的新颖视觉形式、实现大规模定制并提供增加产品循环性的新途径来彻底改变产品的制造方式。同时，3DP 可能会引发意想不到的后果，例如潜在的劳动力流失、对贸易量和供应链的影响、对边境海关的财政和非财政挑战，以及知识产权和违法行为的空间。对 3DP 采用的炒作，包括“在家打印任何东西”的预测，尚未成为现实。消费类3DP并没有超越DIY爱好者，2018年3DP收入占全球制造收入的比例不到0.1%。与此同时，3DP全球收入以年均26.9%的速度快速增长。过去 30 年（Wohlers Associates，2019 年）。3DP 的未来在不断发展，因此，它对不同领域的影响是未知的。本白皮书探讨了这些领域并提供三个功能。首先，如果 3DP 被更广泛地采用，它在五个领域——制造、贸易和海关、供应链、合法性和环境——提出了未来可能会是什么样子的广泛情景。其次，它建议使用领先指标来监控、预测和准备更高的 3DP 应用。第三，它通过 3DP 的视角讨论了现有政策工具的相关性，以指出未来可能需要的政策变化。世界经济论坛通过使用其平台和多利益相关方网络来分享见解、触发行动并由政府和企业制定面向未来的政策，以推动全球进一步采用 3DP。本文是世界经济论坛 TradeTech 倡议的一部分。它由塑造贸易和全球经济相互依存的未来的平台制作。3DP 采用规模的不确定性以及建立建议指标所需的努力凸显了进一步公私合作的必要性。 43D 打印：决策者指南执行摘要3D 打印 (3DP) 是一个新兴且不断发展的领域，值得商界领袖和政策制定者关注。了解这项技术的状态、基于其广泛采用预测的未来情景，以及如何监控和准备该技术的正面和负面影响是重要的考虑因素。3DP 提供了几个新的机会，其中最普遍的是原型设计。 3DP 允许通过制造接近消费的零件来分散制造。以前难以制作的设计可以轻松地进行 3D 打印。这实现了诱人的可能性；例如，空心或蜂窝结构可以减少许多应用中的生命周期成本，例如航空。大规模定制可能成为现实，3DP 是关键推动因素。 3DP 已准备好颠覆众多市场，包括汽车、医疗保健、建筑、时尚和食品。热情、才华横溢的玩家正在推动这项技术的发展，他们正在发明更新更快的 3D 打印方式，探索新的打印材料，并基于该技术的优势开发新的商业模式。3DP 发明于 30 多年前，但尚未在制造业中取得显着进展； 2018 年，3DP 收入不到全球制造收入的 0.1%（Wohlers Associates，2019）。制造业的决策者将 3DP 视为另一种工具并执行投资回报和资格分析，就像他们对计算机数控等其他新技术所做的一样。此外，他们没有将 3DP 视为一种独立的技术，而是将开始在企业、产品和工程/运营战略中整合 3DP 相关决策，因为技术的破坏性。政府和政府间组织有机会制定监管战略，以最大限度地提高收益并减轻潜在的意外后果。广泛采用 3DP 可能会在多个领域产生重要影响，例如制造、贸易和海关、供应链、合法性和安全性以及环境和可持续性。劳动力置换/替代是制造业采用 3DP 的潜在后果。支持 3DP 的制造业分散化可能会影响贸易量。 3DP 可能会缩短供应链，这可能会影响依赖低成本劳动力的地区。由于 3DP 设计易于传输和复制，因此预计知识产权和法律挑战会增加。最后，存在创建基于 3DP 的环境可持续制造系统的机会。需要对现有政策进行分析，或许还需要对其进行修订以应对这些挑战。迄今为止，采用 3DP 的步伐一直很慢。虽然收入增长迅速，但未来该技术将在多大程度上渗透到主流行业和市场尚不清楚。此外，在许多情况下，也不清楚影响是否会发生，或者如果会发生，可能会发生两种相反的结果中的哪一种：例如，最终 3DP 放大会导致贸易量增加还是减少？为了应对这些不确定性，可以监测几个领先指标以探索可能的结果。监测这些指标可能成为一部分企业和国家和国际机构的规划过程。 3D 打印：决策者指南5为什么商界领袖和政策制定者应该关心？3D 打印 (3DP) 是一种被认为是第四次工业革命（Schwab，2016 年）一部分的新技术，有可能对产品的制造和分销方式做出重大而迅速的改变。为了保持领先地位，商业领袖和政策制定者需要了解技术及其对发展的影响为他们的企业和利益相关者提供前瞻性的战略和政策。方框 1 概述了 3D 打印的三个主要优势。3DP 在以下方面实现了独特的方法：–效率提高和产品新颖性：产品的制造步骤比传统制造要少得多，直接从原材料到成品。可以使用建筑材料的 3DP 快速定制建筑物。可以实现新颖且更坚固的几何形状并减少浪费。–具有重大社会影响的产品：包括可以挽救和改善生命的 3D 生物打印身体部位和器官、在适当时间溶解以确保身体最有效吸收的药丸，以及根据个人营养需求定制的食物。现有的制造方法可能会被颠倒过来。 3DP 可以促进高度分散的制造，低库存或无库存，供应链短。大规模定制最终可以在消费品和医药领域成为现实。3DP 的采用受到 3D 打印产品的高单位成本和制造中部署的普遍成长痛苦的限制，例如合格的打印工艺和产品。但是 3DP 已在医疗、航空航天和汽车领域得到更广泛的采用，主要用于原型设计和工具制造。一些小众领域走得更远，使用 3DP 制造最终产品，例如牙齿矫正器和助听器。 3DP 的全球收入逐年快速增长，但 3DP 收入占 2018 年全球制造收入的比例不到 0.1%（Wohlers Associates，2019 年）。3DP 是一个值得关注的领域，因为它能够破坏生产方法。它为生产民主化提供了机会。例如，拥有人才或可培训劳动力的地区和国家可以以较低的资本投资启动其制造基地。然而，正如稍后所讨论的，存在在几个方向上产生严重负面影响的可能性。贸易和海关方面的政策问题需要尽早解决。企业需要采用特定的策略才能成功利用 3DP。最后，如果 3DP 的扩展加速或如果该技术发生重大颠覆性创新，所有这些都可能变得紧迫。框 1：三个 W3D 打印的三个好处涉及“什么”、“何时”和“在哪里”：内容：仅打印所需数量的产品（可选择为买家定制每件产品），减少因生产过剩而造成的产品浪费。时间：产品及时生产（下订单后），减少库存水平和交货时间。哪里：产品在接近其消费量的情况下制造，减少了交付和 CO 的物流2排放。 63D 打印：决策者指南1233D打印的现状什么是3D打印？“3D 打印”和“增材制造”这两个词经常被从业者互换使用。本文将使用 3D 打印或 3DP 来指代这项技术，因为这是具有更广泛应用的潜在推动因素，而增材制造 (AM) 则专门用于制造。国际标准化组织的美国测试与材料协会 52900 术语标准将 AM 定义为连接材料以从 3D 模型数据制造零件的过程，通常逐层进行。多种技术通过挤压、光固化、熔融、喷射或层压材料以逐层方式生产零件（Redwood、Schöffer & Garret，2017 年）。这些技术通过将零件虚拟切成极薄的切片来构建零件，然后在 3D 打印机中通过在另一层上重复构建零件来构建零件，直到构建整个零件（图 1）。这与传统的制造方法（例如，减法方法 - 见图 2）截然不同。如今，塑料、金属、陶瓷、玻璃、复合材料和生物材料部件都可以 3D 打印。通过深思熟虑的重新设计，或使用衍生式设计 (Generative Design, nd) 等工具，3D 打印零件在重量、强度或一般用途方面的性能优于传统制造的零件（尽管层间强度较弱是一个问题） ，并且是研究的重点）。以前在多个制造步骤中制造的多个组件可以组合成一个单步生产，从而降低供应链风险、成本和交货时间。在 3DP 的数字驱动过程中，制成品可以快速更新以创建新版本。3DP 技术已经存在了 30 多年，在 1980 年代获得了早期专利（Hull，1984）。从那时起，3DP 就被吹捧为能够改变商品的生产方式，并在 2011-2014 年期间大肆宣传（Basiliere & Shanler，2019 年）。早期的炒作已经平息，但技术仍在继续发展，许多新的打印机制造商专注于金属和桌面设备。 2008 年早期专利开始后，3D 打印机的制造开始回升直到到期为止。在过去的十年中，打印机制造商的数量稳步上升。尽管多年来可用于共享 3D 模型和打印作业的在线资源数量有所增加，但消费者 3DP 通常并没有超出 DIY 爱好者的范畴。缺乏广泛采用的主要原因是难以创建满足个人需求的 3D 模型以及资本和运营成本具有所需功能的设备。计算机辅助设计 (CAD) 的高技能需求和设计 3D 可打印模型所需的独特技能构成了很高的障碍。人工智能 (AI) 的进步可能会通过对消费者友好的应用程序的广泛可用性来降低这一障碍。当前应用3DP 最常见的制造应用是原型制作和工具（夹具和固定装置）。在超越原型设计之前，设计师和建筑师对他们的作品进行原型设计并通过快速迭代对其进行改进。 2019 年 5 月，喜力报告称，使用低成本桌面 3D 打印机生产工具可将交货时间和成本降低 70-90%（van de Staak，2019 年）。一个不断增长的应用是按需制造备件，而不是提前制造和库存。因此，3DP 是对传统制造的补充。 3D 打印最终用途部件的部分虽然很小，但正在增长：在过去 10 年中，图 1：3DP – 零件的逐层构建来源：基于 3D HUBS，《FDM 3D 打印简介》，https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing 3D 打印：决策者指南7减法添加剂图 2：减法和增材 (3DP) 制造方法示意图来源：基于 3D HUBS：“3D 打印与 CNC 加工”，https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d-printing-vs-cnc-machining根据 2009 年和 2019 年的 Wohlers 报告（Wohlers Associates，2019 年），最终用途零件的产量从 15.6% 增加到 28.4%（占 3DP 设施生产的零件的百分比）。由于个性化定制的需求，越来越多的牙齿矫正器和助听器使用3DP生产，手术导板也采用3D打印。称为 FabLabs 的 3DP 集线器的趋势正在增加；他们拥有各种 3D 打印机，并执行打印即服务的订单。这允许制造商和其他人在不对打印机进行资本投资的情况下试验 3DP。 UPS 是 3DP 业务的早期进入者，在其许多美国仓库均配备 3D 打印机，主要服务于小型企业。专业消费者（业余爱好者以外的家庭用户）中存在一个小型的 DIY 生态系统。 3DP 行业现在正处于为更广泛的航空航天和汽车应用验证其